DE10212400C1 - Verfahren zur Herstellung eines Formbauteils - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formbauteils (1, 2) durch Kaltumformen mit einem Glühen des umgeformten Formbauteils (1, 2) zwecks Umkristallisation des Gefüges zur Herabsetzung des Formänderungswiderstandes für einen weiteren Umformvorgang mit anschließendem Abkühlen, das sich einfach, prozesssicher und kostengünstig in einen bestehenden Massenfertigungsprozess einordnen lässt. Hierbei wird eine Glühung partiell nur in den Bereichen (a, b, c) durchgeführt, in denen sich ein weiterer Umformvorgang anschließt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Formbauteils durch Kalt­ umformen mit einem Glühen des umgeformten Formbauteils zwecks Umkristalli­ sation des Gefüges zur Herabsetzung des Formänderungswiderstandes für einen weiteren Umformvorgang mit anschließendem Abkühlen.

Metallische Bauteile wie Platinen oder vorgeformte Bauteile aus unlegierten oder niedriglegierten Stählen, legierten oder hochlegierten Edelstählen wie austeniti­ schen, ferritischen oder Duplex Stählen oder aus Leichtmetall haben in der Regel ein gutes Umformvermögen, so dass alle gängigen Kaltformprozesse wie zum Beispiel Biegen, Stauchen, Aufweiten und Innenhochdruckumformen zum Umfor­ men dieser Werkstoffe eingesetzt werden können. Da sich ein Metall, wenn es oberhalb der Fließgrenze plastisch verformt wird, in den umgeformten Bereichen verfestigt, ist mit dieser Kaltverformung eine Kaltverfestigung des Werkstoffs ver­ bunden, durch die die Härte, die Streckgrenze und die Zugfestigkeit des Werk­ stoffs ansteigen, während die Bruchdehnung und die Kerbschlagzähigkeit ab­ nimmt.

Die Kaltverfestigung ist zum einen positiv, da eine höhere Werkstofffestigkeit auch zu einer höheren Lebensdauer bei dynamischer Belastung führt. Sie bereitet je­ doch Probleme, wenn das Formbauteil in mehreren Schritten umgeformt wird und aufgrund der verbleibenden Restdehnung der Formänderungswiderstand im kalt­ verfestigten Bereich so groß ist, dass eine weitere plastische Verformung gegebe­ nenfalls zum Bruch des Werkstoffs in diesem Bereich führen würde. Um den kalt­ verfestigten Bereich dennoch umformen zu können, ist eine Umkristallisation in diesem Bereich in Richtung Ausgangsgefüge des Werkstoffs vor der Kaltverfesti­ gung vorzunehmen, so dass das ursprüngliche Umformvermögen und die ent­ sprechende Duktilität des Werkstoffs wiederhergestellt wird. Eine vollständige oder teilweise Gefügeumwandlung kann mittels eines geeigneten Glühverfahrens und einer dem Werkstoff angepassten Temperatur, die auch vom Umformgrad be­ stimmt werden kann, erreicht werden. Dabei wird das Formbauteil auf Umwand­ lungstemperatur wie Austenitisierungstemperatur oder Rekristallisationstempera­ tur erwärmt und nach einer Umwandlung des Gefüges abgekühlt, so dass sich das Ausgangsgefüge mindestens teilweise wieder einstellt. Auf diese Weise kann bei­ spielsweise ein Formbauteil aus geeigneten Stählen auf Austenitisierungstempe­ ratur erwärmt und nach einer Umwandlung des Gefüges in Austenit langsam ab­ gekühlt werden, so dass sich der Austenit in ein Ferrit/Perlit-Mischgefüge um­ wandelt. Damit ist die Umkristallisation zur Herabsetzung des Formänderungswi­ derstandes für einen weiteren Umformvorgang durchgeführt.

Nach dem Stand der Technik wird die Wärmebehandlung in einem Durchlaufofen mit einer dem Werkstoff angepassten Temperaturführung durchgeführt, wobei bei diesem Prozess das gesamte Bauteil langsam auf Umwandlungstemperatur er­ wärmt und bis zu einer ausreichenden Umwandlung gehalten wird. Im Anschluss erfolgt eine langsame Abkühlung mit dem Ziel, das Ausgangsgefüge mit dem ge­ ringeren Formänderungswiderstand zumindest teilweise wieder herzustellen. Da­ bei wird in dem Ofen immer das gesamte Bauteil geglüht, so dass der in einigen Bereichen durchaus erwünschte Effekt der Kaltverfestigung für alle Bereiche des Bauteils durch Umkristallisation rückgängig gemacht wird. Folglich wird in den Be­ reichen, die nicht weiter umgeformt werden, das Potential des Werkstoffs nicht voll ausgenutzt.

Hinzu kommt, dass ein solcher Durchlaufofen mit bis zu 30 Metern Länge und bis zu 90 Minuten Prozessdauer entsprechenden Platz und entsprechende Zeit bean­ sprucht. In der Massenfertigung wird die Fertigungskette durch diesen Glühpro­ zess zudem unterbrochen, da ein Transport vom Umformwerkzeug zum Ofen und somit häufig zu externen Dienstleistern mit zusätzlichem Handling und entspre­ chender Logistik erforderlich ist. Dies ist mit erheblichen Kosten verbunden.

Die DE 31 27 327 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Faltenbälgen aus Metallegierungen, bei dem ein Rohrstück durch Auswalzen verformt, auf eine Temperatur oberhalb der Rekristallationstemperatur erhitzt, abgekühlt, lokal querverformt und axial zusammengedrückt wird. Die Erwärmung des Rohrstücks wird dabei mittels elektrischen Stroms vorgenommen. Auch hier wird jedoch das gesamte Bauteil erwärmt, so dass der Effekt der Kaltverfestigung für das gesamte Bauteil rückgängig gemacht wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemä­ ßes Verfahren aufzuzeigen, das sich einfach, prozesssicher und kostengünstig in einen bestehenden Massenfertigungsprozess einordnen lässt.

Diese Aufgabe löst die Erfindung mit dem in Anspruch 1 genannten Verfahren. Demnach wird eine Glühung nur partiell in den Bereichen durchgeführt, in denen sich ein weiterer Umformvorgang anschließt. Dadurch wird in den geglühten Be­ reichen die Kaltverfestigung durch Umkristallisation des Gefüges Richtung Aus­ gangsgefüge des Werkstoffes vor einem weiteren Kaltumformschritt aufgehoben bzw. vermindert. Folglich spart man Energie und Zeit, da nicht das gesamte Formbauteil auf Umwandlungstemperatur erwärmt wird.

Nach einer besonderen Ausführungsform verbleiben im umgeformten Formbauteil neben geglühten und weiter umgeformten Bereichen durch den ersten Umform­ schritt kaltverfestigte Bereiche, wodurch in den kaltverfestigten Bereichen die Vorteile der Kaltverfestigung wie eine höhere Lebensdauer bei dynamischer Be­ lastung aufgrund der höheren Werkstofffestigkeit erhalten bleiben. Durch die Bei­ behaltung dieser bereits erzeugten lokalen Festigkeitserhöhungen im Bauteil wird das Potential des Werkstoffs besser ausgenutzt.

Bevorzugt wird die partielle Glühung mittels Induktionserwärmung durchgeführt. So können gezielt die Bereiche mit vorhandener Kaltverfestigung geglüht werden, bei denen sich ein weiterer Umformvorgang anschließt. Zudem lässt sich die In­ duktionserwärmung innerhalb von Sekunden mit kompakten Anlagen bewerkstelli­ gen, was eine geschlossene Prozesskette Umformen/Glühen ermöglicht. Der Durchlaufofen kann substituiert werden, so dass ein Transport zum Ofen, eventu­ ell auch zu externen Dienstleistern mit entsprechender Logistik und entsprechen­ dem Zeitaufwand entfällt.

Nach dieser besonderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens können zur Durchführung der partiellen Induktionserwärmung insbesondere das Formbauteil und eine Induktionserwärmungseinrichtung relativ zueinander bewegt werden. Beispielsweise wird das Formbauteil von einem Roboter definiert gegrif­ fen und durch eine stationäre Induktionsspule geführt. Entsprechend kann auch die Spule robotergesteuert die Kontur des zu glühenden Bereichs am Formbauteil abfahren. Je nach Formbauteil ist es auch möglich, andere Steuerelemente wie zum Beispiel eine Linearsteuerung, bei dem die Spule das Bauteil oder umgekehrt das Bauteil die Spule auf einer vorgegebenen linearen Bahn abfährt, einzusetzen. Bauteiltoleranzen und Änderungen in Geometrie und Wanddicke des Formbauteils können dabei über eine temperaturgesteuerte Leistungsanpassung und/ oder ei­ ner entsprechenden Ausrichtung der Positionen von Induktionsspule und Bauteil ausgeglichen werden.

Die partielle Induktionserwärmung kann an die Kontur des Bauteils angepasst durchgeführt werden. Dies kann zusätzlich oder alternativ zu einer Relativbewe­ gung geschehen. Zusätzlich zu einer Relativbewegung kann die Spule das Bauteil oder umgekehrt das Bauteil die Spule zum Beispiel auf einer der Bauteilgeometrie nachempfundenen Bahn abfahren, wobei die Spule oder das Bauteil zudem roch eine Vorschubbewegung in Richtung jeweils des Bauteils oder der Spule ausfüh­ ren können. Alternativ zu einer Relativbewegung wird beispielsweise ein der Kon­ tur des zu glühenden Bereiches angepasster Forminduktor angewandt. Hierbei kann das Bauteil beispielsweise in einen Forminduktor eingelegt werden, so dass ohne eine weitere Relativbewegung eine gleichmäßige Erwärmung auf Umwand­ lungstemperatur über den gewünschten Bereich erzeugt werden kann.

Besonders vorteilhaft zur Erzielung einer gleichmäßigen Erwärmung werden die Induktionserwärmungseinrichtung und das Formbauteil gegeneinander kreisend oder oszillierend auf- und abbewegt.

Vorzugsweise wird die Abkühlung mittels ruhender oder leicht strömender Luft durchgeführt. Beispielsweise werden unlegierte und niedriglegierte Stähle sowie bestimmte Edelstähle nach der Glühung an ruhender oder leicht strömender Luft abgekühlt, um das gewünschte Gefüge mit geringerem Formänderungswiderstand sowie die entsprechenden Korngrößen zu erhalten.

In einer weiteren Ausführungsform wird die Abkühlung mittels einer der Indukti­ onserwärmungseinrichtung nachgeschalteten Ringbrause für eine Wasserkühlung durchgeführt. Eine solche unmittelbare Abkühlung dient zum Beispiel bei austeni­ tischen chromhaltigen Edelstählen dazu, einem Verlust an korrosionsbeständigen Chromgehalten in der Oberfläche, die für die Korrosionsbeständigkeit verantwort­ lich sind, sowie einer Chromkarbidbildung entgegenzuwirken.

Um eine Oberflächenoxidation und die Bildung von Zunderschichten im Erwärm­ bereich zu vermeiden, kann das Glühen unter einer Schutzatmosphäre stattfinden.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wer­ den zur Herstellung eines Abgasrohrs für den Kraftfahrzeugbau bei einem ersten Kaltumformen eines Rohres ein mittiger Faltenbalg sowie an den Faltenbalg an­ grenzende Rohrbögen geformt, anschließend werden nur diese Rohrbögen partiell geglüht und danach werden in einem sich anschließenden Umformvorgang diese Rohrbögen insbesondere durch Innenhochdruckumformung aufgeweitet. Mögliche weitere Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens betreffen beispielswei­ se Rohrkomponenten mit mehrstufigen Hydroformprozessen, bei denen lokale Verfestigungen gewünscht sind sowie vorgeformte Rohrkomponenten bei denen eine Verfestigung im ersten Umformbereich zur Erhöhung der Lebensdauer erfor­ derlich ist.

Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand einiger Ausführungs­ beispiele in den Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigen

Fig. 1 in Draufsicht ein gerades Rohr (1),

Fig. 2 das Rohr (1) aus Fig. 1 nach einem ersten Umformschritt,

Fig. 3 das Rohr (1) aus Fig. 2 nach einem Aufweiten im umgeformten Bereich (a),

Fig. 4 in Draufsicht ein gerades Abgasrohr (2),

Fig. 5 das Abgasrohr (2) aus Fig. 4 nach der Ausformung eines mittigen Falten­ balgs (3),

Fig. 6 das Abgasrohr (2) aus Fig. 5 nach der Umformung von je einem Rohrbo­ gen (4, 5) links und rechts des Faltenbalgs (3),

Fig. 7 das Abgasrohr (2) aus Fig. 6 nach einem Aufweiten der Rohrbögen (4, 5) im zuvor umgeformten Bereich (b, c),

Fig. 8 schematisch einen Roboter (6), der das Rohr (1) aus Fig. 2 durch eine Induktionsspule (7) mit nachgeschalteter Ringbrause (8) führt.

Fig. 1 zeigt in Draufsicht ein noch nicht umgeformtes Rohr (1).

In Fig. 2 wurde das gerade Rohr (1) in der Mitte mittels Kaltumformen durch Bie­ gen gekrümmt. Dadurch hat sich der Werkstoff des Rohres (1) im umgeformten Bereich (a) kaltverfestigt. Eine weitere Kaltumformung in dem bereits umgeform­ ten Bereich der Krümmung (a) würde wegen des durch das Kaltumformen ent­ standenen höheren Formänderungswiderstands gegebenenfalls zu einem Bruch des Rohres (1) im bereits umgeformten Bereich (a) führen. Mittels des erfindungs­ gemäßen Verfahrens wird das Rohr (1) daher im Bereich der Krümmung (a), in­ dem es weiter umgeformt werden soll, partiell geglüht. Mit Hilfe einer Induktions­ erwärmungseinrichtung lässt sich die Glühung in Sekunden und genau im Bereich der Krümmung bewerkstelligen. Die jeweiligen Rohrenden, die keine Umformung erfahren haben, werden dabei nicht auf Umwandlungstemperatur miterwärmt. Da­ durch kann Zeit und Energie eingespart werden. Im Anschluss wird das Rohr (1) abgekühlt, so dass die gewünschte Umkristallisation im gekrümmten Bereich (a) in Richtung Ausgangsgefüge stattfindet und der Formänderungswiderstand sinkt.

In Fig. 3 ist das Rohr (1) im gekrümmten Bereich (a) anschließend mittels Innen­ hochdruckumformen aufgeweitet worden. Dadurch hat es sich in diesem Bereich (a) erneut kaltverfestigt. An den jeweiligen Rohrenden befindet sich der Werkstoff noch im Ausgangsgefüge ohne Kaltverfestigung, da im Bereich der Rohrenden kein Umformvorgang stattgefunden hat.

Fig. 4 zeigt in Draufsicht ein gerades Abgasrohr (2), beispielsweise aus einem austenitischen Edelstahl mit dem Werkstoffnamen X15CrNiSi 20-12.

In Fig. 5 ist in der Mitte dieses geraden Abgasrohres (2) ein Faltenbalg (3) mittels Innenhochdruckumformen ausgebildet worden. Dadurch hat sich der Werkstoff des Abgasrohres (2) im Bereich des Faltenbalgs (3) kaltverfestigt. Diese Kaltver­ festigung des Faltenbalgs (3) erhöht seine Lebensdauer, sie ist daher erwünscht und soll bei einem weiteren Umformen des Abgasrohres (2) erhalten bleiben.

In Fig. 6 ist aus dem Abgasrohr (2) links und rechts des Faltenbalgs (3) jeweils ein Rohrbogen (4, 5) durch Biegen geformt worden. Dadurch hat sich das Abgas­ rohr (2) in den beiden gekrümmten Bereichen (b, c) der Rohrbögen (4, 5) durch das Kaltumformen kaltverfestigt. Die Kaltverfestigung des Faltenbalgs (3) ist da­ von unberührt geblieben. Eine weitere Umformung der Rohrbögen (4, 5) ist auf­ grund der eingetretenen Kaltverfestigung in den bereits gekrümmten Bereichen (b, c) ohne die Gefahr der Rissbildung oder eines Bruches des Abgasrohres (2) in diesen Bereichen (b, c) nicht möglich. Daher wird das Abgasrohr (2) in den ge­ krümmten Bereichen (b, c) der Rohrbögen (4, 5) bevorzugt induktiv partiell ge­ glüht. Mit dieser Glühung wird das Abgasrohr (2) aus dem Material X15CrNiSi 20- 12 in den gekrümmten Bereichen (b, c) auf 1050° bis 1100°C erwärmt, wodurch eine Umwandlung des Werkstoffgefüges in diesen Bereichen (b, c) erreicht wird, durch die sich bei einem anschließenden Abkühlen das Ausgangsgefüge des Werkstoffs vor einer Kaltverfestigung mit dem geringeren Formänderungswider­ stand wieder einstellt. Damit wird die Kaltverfestigung in den gekrümmten Berei­ chen (b, c) aufgehoben. Im Faltenbalg (3), der aufgrund der genauen Steue­ rungsmöglichkeit der Induktionserwärmungseinrichtung an der Glühung nicht teil­ genommen hat, bleibt die Kaltverfestigung durch die Anwendung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens trotz des Glühprozesses wie gewünscht erhalten.

In Fig. 7 sind die Rohrbögen (4, 5) des Abgasrohres (2) im bereits umgeformten und geglühten Bereich (b, c) mittels Innenhochdruckumformen aufgeweitet wor­ den. Dadurch hat sich das Werkstoffgefüge in den aufgeweiteten Bereichen (b, c) erneut kaltverfestigt. Somit sind an diesem Abgasrohr (2) sowohl die aufgeweite­ ten Rohrbögen (4, 5) als auch der Faltenbalg (3) kaltverfestigt, was die Lebens­ dauer des Abgasrohrs (2) erhöht. Gerade im Faltenbalg (3), der bei einer Herstel­ lung des Abgasrohres (2) mit einem herkömmlichen Verfahren geglüht worden und damit duktiler wäre, ist diese lebensdauererhöhende Kaltverfestigung nur mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens der partiellen Glühung zu erreichen.

Fig. 8 zeigt schematisch einen Roboter (6), der das Rohr (1) aus Fig. 2 nach der Ausformung der Krümmung in der Mitte des Rohres (1) gegriffen hat und zwecks Glühung den kaltverfestigten Bereich (a) der Krümmung in Abwärtsbewe­ gung durch eine Induktionserwärmungseinrichtung (7) bzw. eine stationäre Induk­ tionsspule führt. Dabei wird genau der Bereich der Krümmung (a) mittels Induktion geglüht. Der Induktionsspule (7) nachgeschaltet ist eine Ringbrause (8) zur Was­ serkühlung angebracht. Damit wird beispielsweise bei austenitischen chromhalti­ gen Edelstählen einem Verlust an korrosionsbeständigen Chromgehalten in der Oberfläche, die für die Korrosionsbeständigkeit verantwortlich sind, sowie einer Chromkarbidbildung entgegengewirkt. Bei geeigneten Stählen, die durch die un­ mittelbare Abkühlung nicht härten, kann so auch der Abkühlvorgang beschleunigt werden.

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung eines Formbauteils (1, 2) durch Kaltumformen mit einem Glühen des umgeformten Formbauteils (1, 2) zwecks Umkristallisati­ on des Gefüges zur Herabsetzung des Formänderungswiderstandes für ei­ nen weiteren Umformvorgang mit anschließendem Abkühlen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Glühung nur partiell in den Bereichen (a, b, c) durchgeführt wird, in denen sich ein weiterer Umformvorgang anschließt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Formbauteil (1, 2) neben geglühten und weiter umgeformten Berei­ chen (a, b, c) durch den ersten Umformschritt kaltverfestigte Bereiche (3) verbleiben.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die partielle Glühung mittels Induktionserwärmung durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur partiellen Induktionserwärmung das Formbauteil (1, 2) und eine Induktionserwärmungseinrichtung (7) relativ zueinander bewegt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die partielle Induktionserwärmung an die Kontur des Formbauteils (1, 2) angepasst durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Induktionserwärmungseinrichtung (7) und Formbauteil (1, 2) gegen­ einander kreisend oder oszillierend auf- und abbewegt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung mittels ruhender oder leicht strömender Luft durchge­ führt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung mittels einer der Induktionserwärmungseinrichtung (7) nachgeschalteten Ringbrause (8) für eine Wasserkühlung durchgeführt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Glühen unter einer Schutzatmosphäre stattfindet.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung eines Abgasrohrs (2) für den Kraftfahrzeugbau bei einem ersten Kaltumformen eines Rohres (2) ein mittiger Faltenbalg (3) sowie an den Faltenbalg (3) angrenzende Rohrbögen (4, 5) geformt werden, dass anschließend nur diese Rohrbögen (4, 5) partiell geglüht werden, und danach in einem sich anschließenden Umformvorgang diese Rohrbögen (4, 5) aufgeweitet werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrbögen (4, 5) durch Innenhochdruckumformung aufgeweitet werden.